또한 이 현상을 세포가 아닌 조직에서 본 경우에는 조직호흡이라고 한다. 생화학적으로 본 세포호흡은 동물이 분자상산소(分子狀酸素)를 이용하여 유기물을 산화분해하고 그 과정에서 생체에 이용 가능한 형태로 물질에 함유된 에너지를 획득하는 것을 말한다. 세균과 남조류를 제외한 진핵생물(眞核生物)에서 세포호흡을 담당하는 세포내기관은 미토콘드리아이다.
미토콘드리아는 외막과 내막으로 이루어진 2중막 구조를 가지며, 그 수는 세포 1개당 간세포에서는 약 2500개, 식물세포에서는 200개 정도이다. 미토콘드리아의 내막에 둘러싸인 기질(基質) 안에는 시트르산회로(回路), 지방산산화와 산화반응에 관여하는 효소군(酵素群)이 존재하며, 내막에는 전자전달계(電子傳達系)·산화적 인산화계의 여러 효소 및 숙신산탈수소효소 등이 결합하고 있다.
이런 것들이 작용하여 세포호흡을 하는 생화학적인 구조는 다음과 같다. 당·지방산·아미노산 등이 대사 분해되어 생긴 아세틸 보조효소(補助酵素)A는 다음에 시트르산회로로 들어가서 탈 수소되어 이산화탄소를 발생한다. 이렇게 하여 생긴 이산화탄소는 세포 밖으로 방출된다. 한편 없어진 수소는 전자전달계를 거쳐서 최종적으로 분자상산소를 이용하는 시토크롬산화효소에 의해 산화되어 물이 된다. 이 과정에서 호흡에 의해 들어온 산소가 소비된다.